太陽核聚變?yōu)樯恫槐?，維持100億年，一共燒了多少燃料？

本文基于回答一位網(wǎng)友的邀請，原題為：太陽上每個(gè)地方每時(shí)每刻都在核聚變，那么太陽上每次核聚變爆炸的起始當(dāng)量是多少呢？

關(guān)于太陽內(nèi)部核聚變問題，我已經(jīng)發(fā)表過許多文章解釋了，但看到有的朋友還是不了解，邀請回答此類問題，就覺得還是有義務(wù)再說一下。各位不要以為是老調(diào)重彈，其實(shí)每次回答都是我和網(wǎng)友們共同學(xué)習(xí)的過程，都是盡量用新的視角和知識(shí)來與大家分享這種老問題，歡迎新老朋友看完多提寶貴意見。

首先我告訴這位朋友，太陽核聚變不是在每個(gè)地方都進(jìn)行核聚變不是隨便就會(huì)發(fā)生的，而是需要極端的條件，比如需要極高的壓力或者極高的溫度。在地球上人造可控核聚變，就需要上億度的高溫才能持續(xù)進(jìn)行。太陽比我們地球有一個(gè)特別的條件，就是高壓，因此持續(xù)核聚變的溫度就不需要這么高，但核聚變的位置必須在核心才能夠發(fā)生。

太陽是一個(gè)主要由氫元素和氦元素組成的巨大等離子體球，半徑約70萬千米。萬有引力讓這個(gè)等離子球體不斷向核心收縮，這樣在核心處就形成了約3000億個(gè)大氣壓和1500萬K的溫度，在這樣的壓力和溫度下，核心的氫原子外層電子被高壓高溫剝離了，露出了光禿禿的核，在壓力和高溫下，核與核之間不斷劇烈碰撞，核融合也就是核聚變就被點(diǎn)燃了。

這個(gè)核聚變的區(qū)域就是在太陽半徑約1/4的核心處。

太陽核聚變的過程比較復(fù)雜，今天就不展開說了。簡單地說，就是4個(gè)氫核聚合成一個(gè)氦核，在這個(gè)聚合過程中，會(huì)有一部分質(zhì)量虧損。這個(gè)損失有多大呢？我們簡單計(jì)算就知道了。參與核聚變的主要是氫的同位素氕，氕的原子量為1.008，4個(gè)氕核的原子量加起來就是4.032；核聚變?nèi)诤铣珊?4后的原子量為4.003，這樣少了0.029的質(zhì)量，約為參與核聚變氫核質(zhì)量的0.72%。

這些質(zhì)量到哪里去了呢，原來是以光子和中微子的方式輻射出去了。這被輻射掉的質(zhì)量就是能量，這個(gè)能量有多大呢？這就得用到愛因斯坦的質(zhì)能方程了。

用質(zhì)能方程可以計(jì)算出太陽核聚變的能量質(zhì)能方程是愛因斯坦最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，這個(gè)方程將經(jīng)典力學(xué)里質(zhì)量和能量隔離狀態(tài)統(tǒng)一起來，揭示了物質(zhì)質(zhì)量與能量的等價(jià)互換關(guān)系。

質(zhì)能方程簡單表達(dá)式為：E=MC^2。這里的E代表能量，單位J（焦耳）；M代表物體的靜質(zhì)量，單位kg（千克），C代表真空光速，單位m/s（米/秒）。

這是一個(gè)具有簡單之美，卻蘊(yùn)含著最深刻自然規(guī)律的公式，根據(jù)這個(gè)公式，我們可以看出物質(zhì)質(zhì)量里蘊(yùn)含著非常巨大的能量，只要將1kg物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為能量，就能夠得到9*10^16J，相當(dāng)于250億度電或2151萬噸TNT炸藥的威力。

而太陽核心每秒鐘參與核聚變的氫約為6億噸，損失質(zhì)量0.72%就是432萬噸，這些質(zhì)量全部轉(zhuǎn)化為能量約為3.9*10^26J，就相當(dāng)于10800億億度電，或9.3億億噸炸藥，也就是7萬多億顆廣島原子彈同時(shí)爆炸的能量。

太陽就是每時(shí)每刻每秒都在爆發(fā)出這么巨大的能量。有人擔(dān)心這么巨大的消耗會(huì)不會(huì)很快將太陽燒光呢？為什么現(xiàn)在太陽已經(jīng)46億歲了，也就是燒了46億年了，還沒有燒光，據(jù)說還可以燒50多億年呢？其實(shí)我們隨便計(jì)算一下就知道了，太陽到死也是燒不光的，只不過燒了一些皮毛而已。

太陽為啥能燒100億年？太陽總質(zhì)量約2*10^30 kg，總質(zhì)量中氫元素約占75%，氦元素約占24%，其他各種重元素約占1%。太陽每秒鐘有約6億噸氫參與核聚變，1年有31557600秒，參與核聚變的氫就需要約1.9*10^16（1.9億億）噸，100億年就需要約1.9*10^26噸，也就是1.9*10^29 kg。

從上面計(jì)算的結(jié)果看出，太陽核聚變?nèi)绻麖囊婚_始到死亡一直這么持續(xù)下去，100年億年壽命所消耗的氫相當(dāng)于太陽總質(zhì)量的不到10%，相當(dāng)于太陽中氫的總質(zhì)量約12.67%。但這些氫并沒有損失掉，而是轉(zhuǎn)化成了氦核存在太陽核心，真正消耗掉的只是每秒鐘約432萬噸的物質(zhì)質(zhì)量，100億年就是約1.36*10^27 kg。這些質(zhì)量損失占太陽總質(zhì)量的0.068%，不到萬分之七。

也就是說，太陽每秒鐘將432萬噸質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量虧損掉了，100億年壽終正寢時(shí)，質(zhì)量只是損失掉不到萬分之七，現(xiàn)在見證到質(zhì)能轉(zhuǎn)化的威力了吧，知道人類為啥花費(fèi)那么多的人財(cái)物去開發(fā)核聚變發(fā)電了吧？

太陽每秒鐘需要消耗6億噸氫并不是隨意估算的，科學(xué)家們有許多辦法來了解。比如通過太陽這么大質(zhì)量的恒星，核心壓力和溫度導(dǎo)致核聚變劇烈程度精確計(jì)算；比如收取地球赤道每平米獲得太陽熱量，從而推算出太陽電磁輻射總量，根據(jù)質(zhì)能方程反算出這些能量需要多少質(zhì)量轉(zhuǎn)換，再根據(jù)氫核聚變質(zhì)量虧損推算出需要消耗的氫總量等。

說來話長，是另一個(gè)話題，今天就不展開說了。

太陽核聚變?yōu)樯兑恢笨煽囟徽ㄩ_呢？許多人有這個(gè)疑問，就是太陽核聚變沒有一個(gè)硬殼包著，為啥不像氫彈一下子炸開了呢？其實(shí)這是一種誤區(qū)，太陽不但有殼，而且這個(gè)殼還厲害得很，就是太陽巨大的質(zhì)量和體積，形成一個(gè)巨大的外殼，約束著太陽核心的核聚變。

萬有引力導(dǎo)致太陽巨大質(zhì)量不斷向核心收縮，這就客觀上形成了一個(gè)厚重的外殼，因此，太陽核聚變的約束方式就是重力約束。由于太陽巨大質(zhì)量向中心不斷施壓，高溫高壓才點(diǎn)燃了核聚變。核聚變點(diǎn)燃后，就會(huì)產(chǎn)生巨大的輻射壓，如果沒有太陽巨大的重力壓力約束住這個(gè)輻射壓，太陽就會(huì)像氫彈那樣爆裂開來。

核聚變產(chǎn)生的巨大輻射壓，會(huì)向外圍擴(kuò)張產(chǎn)生巨大張力，當(dāng)這個(gè)張力正好抵御住質(zhì)量的引力壓力，引力壓和輻射壓就取得了一個(gè)平衡，太陽巨大體積就無法向中心再收縮了，而輻射也也被壓制住無法逃逸。這種平衡就是太陽的主序星階段，像太陽這種質(zhì)量的恒星，這個(gè)主序星階段可以維持100億年。

太陽壽終正寢前的回光返照當(dāng)100億年后，核心的氫燃燒殆盡時(shí)，核聚變就會(huì)熄滅。沒有了巨大輻射壓的支撐，100億年時(shí)時(shí)都緊繃著的引力向心壓機(jī)會(huì)來了，瞬間向核心高速收縮，專用名詞叫坍塌，也就是極快速度垮塌到核心去。這樣核心壓力和溫度瞬間驟增，達(dá)到1億度以上，就點(diǎn)燃了更高一級(jí)的氦核聚變。

這時(shí)太陽會(huì)變成一顆紅巨星，半徑擴(kuò)大200到300倍，進(jìn)入老年回光返照階段。這個(gè)階段，核聚變停止又點(diǎn)燃會(huì)反復(fù)進(jìn)行，星體極不穩(wěn)定，每一級(jí)點(diǎn)燃更重核的聚變，都需要更高的溫度。最終太陽精疲力盡，無法點(diǎn)燃碳核及其以后重核的聚變了，核聚變就最終停止了。

但此時(shí)，太陽引力再也拉扯不住膨脹過大的外圍氣體物質(zhì)了，這些外圍物質(zhì)會(huì)漸漸散去，成為太空新的星云，最終只留下核心一個(gè)致密的碳核，這就是白矮星。這顆白矮星只有地球般大小，質(zhì)量卻是太陽約0.6倍，因此密度高達(dá)每立方厘米1噸以上。

太陽核心的核聚變輻射能量如何來到表面，并輻射到太空？這就需要說一下太陽的結(jié)構(gòu)了。太陽的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)像一顆水蜜桃，桃核就是太陽的核聚變區(qū)域，核聚變釋放的巨大能量以電磁輻射的方式向外擴(kuò)散，首先經(jīng)過的是輻射層。輻射層有點(diǎn)像水蜜桃的瓤，占有的空間最大，從太陽半徑1/4處開始，到達(dá)半徑的86%處。

太陽半徑約70萬km，1/4的核輻射區(qū)，就是從核心質(zhì)點(diǎn)到半徑17.5萬km這么一個(gè)圓球區(qū)域，每時(shí)每刻不斷進(jìn)行的核聚變就在這個(gè)區(qū)域里進(jìn)行；核聚變的能量通過輻射區(qū)到達(dá)距質(zhì)心60.2千米處，這么一個(gè)大圈為輻射區(qū)；以這里為界再往外就是對流層了，也就是進(jìn)入水蜜桃的皮下組織了。

所謂對流層就是熱的往上沖，冷的往下降，上下不斷翻騰的區(qū)域，這個(gè)層次在太陽半徑中占了近10萬公里。再往上就是光球?qū)恿?，這已經(jīng)是太陽的皮層了，當(dāng)然還不是表皮，是表皮下面那薄薄的一層，用動(dòng)物皮層比喻的話就叫真皮。

光球?qū)又挥屑s500km，就像太陽一個(gè)罩子罩住了風(fēng)起云涌的對流層，太陽的所有可見光都是從這個(gè)光球?qū)影l(fā)出的，因此太陽的邊界是以光球?qū)訛榻绲?。太陽表面溫度約5777K就是指這里的溫度。

光球?qū)由贤饷孢€罩著一層色球?qū)?，厚約2000km，這就是太陽的表皮了。奇怪的是，太陽從內(nèi)到外，一直到光球?qū)?，溫度是逐漸下降的?？傻搅松?qū)樱瑓s逐漸上升，到了色球?qū)禹敹?，溫度可高達(dá)20000K。

色球?qū)釉俚酵饷婢褪翘柕拇髿鈱恿?，又叫日冕層。日冕層由高溫低密度等離子體組成，有點(diǎn)像爐子的火焰，閃忽不定，越靠近太陽越濃密熾熱，溫度可高達(dá)百萬度；越遠(yuǎn)越稀薄，就成了太陽風(fēng)，最遠(yuǎn)處飄到太陽系的邊緣。

太陽光子隨機(jī)漫步太陽能量就是這樣一層層往外傳遞的，這些能量是通過光子攜帶著往外傳遞的。光子從核心核聚變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換中誕生，一誕生就往外沖，在真空中可以達(dá)到每秒30萬km，可在介質(zhì)中就不一樣了。

從太陽中心到表面有70萬km，本來光子只要走2秒就出去了，可太陽里面遍布質(zhì)子，光子又是個(gè)“好客”的，每遇到一個(gè)質(zhì)子都要握握手，甚至擁擁抱，然后進(jìn)行一下身份交換，這樣一轉(zhuǎn)就暈頭了，方向變了，可能往回走了。這樣一路走得磕磕絆絆，進(jìn)三步退兩步，人們把這種走法叫“光子隨機(jī)漫步”。

太陽內(nèi)部至少有10^26個(gè)質(zhì)子，每個(gè)質(zhì)子平均距離只有1埃，如果光子遇到每個(gè)質(zhì)子都要“嘮叨”一番，有人計(jì)算就需要走3.9*10^37步，這樣就要走4千億年。宇宙壽命才有138億年，太陽壽命才有46億年，難道一個(gè)光子都還沒走出來？

其實(shí)并不是這樣，太陽里面質(zhì)子的密度分布并不均勻，有的地方稀疏，有的地方密集。既然是隨機(jī)漫步，就有的快有的慢了，而且每個(gè)光子并不需要與所有質(zhì)子“套近乎”，這樣一算，快的幾萬年，慢的幾十萬年就出來了。

但也有玩得忘乎所以，掉在質(zhì)子陷阱中的光子，就像侯寶林的相聲，兩個(gè)醉漢比賽著爬手電筒光柱，這樣就永遠(yuǎn)出不來了，到太陽毀滅還在那玩著呢。

大多數(shù)不癡迷“玩”的光子，好不容易到達(dá)太陽表面后，終于得到釋放，像脫韁的野馬奔跑起來，帶著能量以每秒約30萬km的速度向太空各個(gè)方向輻射。我們地球當(dāng)仁不讓地承接了整個(gè)太陽能量的22億分之一，每秒鐘得到的能量約1.77*10^17J，這相當(dāng)于約500億度電，是1000萬座三峽大壩的發(fā)電總量；也相當(dāng)于每秒爆炸3000多顆廣島原子彈的能量。

而我們每天曬在身上的陽光，雖然從太陽表面到我們這里只花了8分多鐘，但這些光子的年齡都有數(shù)萬歲甚至幾十萬到幾百萬歲呢，好好珍惜吧。

這就是太陽核聚變發(fā)生的過程和能量傳遞方式，以及可以維持100億年不變的原因，不知各位對這個(gè)回答是否滿意？歡迎點(diǎn)評(píng)討論，感謝閱讀。

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